空氣源熱泵空調(diào)在車站候車室的應(yīng)用分析

王　飛　上海鐵路局上海鐵路經(jīng)濟(jì)開發(fā)有限公司

寧波站建于1959年9月，位于寧波市海曙區(qū)，是上海鐵路局在寧波市的主要鐵路管理一等站點。在2010年10月，寧波市政府和上海鐵路局對寧波站進(jìn)行了大規(guī)模改建工程。改建工程于2013年12月28日順利竣工。寧波站改建后的總面積達(dá)到28萬m2，可滿足近萬名旅客的通行和http：//baike.baidu.com/subview/798457/9729681.htm候車。候車廳設(shè)計為空調(diào)候車廳，候車廳的舒適度與鐵路候車室的溫度、新風(fēng)量、照度等環(huán)境和配套有關(guān)。候車室由于人流量大，輻射散熱和熱量流動大，所以候車室的溫度對乘客的舒適性有很大的關(guān)系和要求。另外，影響鐵路候車室舒適度的要素也受能源消耗影響。因此，寧波站旅客的舒適性和對能耗的優(yōu)化節(jié)能是本文研究的兩個重要內(nèi)容面。寧波站有西南區(qū)和東北區(qū)中央空調(diào)機房，每個機房各自滿足六個區(qū)域制冷和供熱需求。兩個空調(diào)機房每年合計耗電323.83萬元，蒸汽7859t。

1　空氣源熱泵空調(diào)概述

在國內(nèi)外對辦公和住宅樓，大型商場和電影院等的空調(diào)設(shè)備的調(diào)節(jié)效果和能源消耗已經(jīng)有很多的學(xué)者在研究，但在鐵路系統(tǒng)，對候車室空調(diào)的調(diào)節(jié)效果和系統(tǒng)能源消耗或節(jié)能措施的研究還比較少。鐵路候車室在空調(diào)系統(tǒng)中，包括供熱系統(tǒng)的能源消耗占其能源消耗總量的比例，并且分析了候車室空調(diào)設(shè)備的能源消耗，對整個候車室在進(jìn)行乘客舒適和節(jié)能方面帶了很多的啟發(fā)和作用?？照{(diào)系統(tǒng)的能源消耗與鐵路候車室等候乘客人數(shù)密切相關(guān)。在候車室候車的乘客數(shù)量對空調(diào)設(shè)備和新風(fēng)系統(tǒng)的內(nèi)部負(fù)載有直接的影響。在總體空調(diào)負(fù)荷方面，新的風(fēng)荷載主要取決于新鮮空氣的體積，新鮮空氣量越小，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效率越高，新鮮空氣和溫度就能得到很好的控制，但同時也會使候車室內(nèi)空氣質(zhì)量出現(xiàn)一定的降低。室內(nèi)空調(diào)溫度是影響空調(diào)系統(tǒng)能源消耗的另一個主要因素，空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗，必須考慮到空調(diào)的水平?？照{(diào)溫度應(yīng)考慮舒適度和能量要求的兩個方面，應(yīng)根據(jù)等候室熱舒適模型設(shè)定室內(nèi)空調(diào)溫度。

水流和空氣的流動在自然狀態(tài)下的熱量只能從高溫到低溫，但人類可以使用外部設(shè)備（如熱泵）從低溫到高溫的熱量，熱泵是一種能量提升裝置。熱泵和冰箱的原理有點類似，兩者的作用都是通過源源不斷地吸收周圍環(huán)境中散發(fā)的熱量，然后將吸收到的熱量傳遞給其他物體?？諝庠礋岜猛ㄟ^吸收空氣中的熱量，并且熱泵系統(tǒng)在循環(huán)過程中消耗的熱量比較低?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)就是把空氣作為低品位熱源，通過查閱大量的文獻(xiàn)資料得知與常規(guī)熱水產(chǎn)熱系統(tǒng)相比，空氣源熱水系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢。

（1）資源豐富。地球上百分之九十幾的能量是來自太陽的，太陽能數(shù)量巨大，且取之不盡用之不竭，一系列的常規(guī)能源，譬如煤炭、石油都是太陽能長期轉(zhuǎn)換的結(jié)果，而這只是相當(dāng)小的一部分能量。另外一大部分能量都以地流熱、輻射熱等形式存在于空氣中?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)就是將空氣中的這些熱量和其他低溫?zé)嵩粗袩o法利用的潛熱及工業(yè)排放的廢熱通過泵傳輸?shù)剿腥?，從而使水變熱?/p>

（2）技術(shù)的日趨成熟。國際上美國空氣源熱泵熱水器已經(jīng)有20多年歷史了，澳大利亞也在15年前就開始研制同類產(chǎn)品，國內(nèi)雖然起步較晚，但在國家重點扶持和科研、生產(chǎn)部們的不斷努力下，目前空氣源熱泵設(shè)備的生產(chǎn)已初具規(guī)模，部分廠家產(chǎn)品已達(dá)到或超過國際先進(jìn)水平，空氣源熱泵熱的產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品質(zhì)量的提高，為我們的嘗試提供了條件。

（3）經(jīng)濟(jì)性和實用性?？諝庠礋崴到y(tǒng)熱效率較高，從而年節(jié)約電能高達(dá)80%以上。空氣源熱泵熱水系統(tǒng)采用的是容積式儲熱方式，在短時停電停水的情況下可連續(xù)供熱水，且費用低于常規(guī)熱水系統(tǒng)，連續(xù)供水還可減少管道腐蝕，延長管道壽命并保證水質(zhì)清潔。所以，使用熱泵技術(shù)具有顯著的節(jié)能特點?？諝庠礋岜每照{(diào)的原理如圖1所示。

圖1　空氣源熱泵原理圖

2　主要發(fā)展形式

空氣源熱泵系統(tǒng)的整體制冷量無法直接測得，可通過公式計算得出：

其中，QA為空氣源熱泵機組制冷量，cW為水定壓比熱容，mW為睡系統(tǒng)質(zhì)量流量，由渦輪流量計測得，tr、ts分別為水系統(tǒng)供回水溫度，由鉑電阻測得。

由上述公式可得，空氣源熱泵集成系統(tǒng)COP：

其中COPA為空氣源熱泵集成系統(tǒng)能效比；QA為空氣源熱泵集成系統(tǒng)制冷量；PA為空氣源熱泵集成系統(tǒng)功率。

通過分析，我們可以看出空氣源熱泵熱水機組是一種新型的高效、環(huán)保、安全的節(jié)能產(chǎn)品，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)逐步替代電、燃?xì)狻⑷加蜔崴到y(tǒng)是必然趨勢。該產(chǎn)品可以有效地解決目前國內(nèi)有關(guān)部們對節(jié)約能源、環(huán)保、安全等各方面較棘手的問題，利國利民，值得大力推廣應(yīng)用。系統(tǒng)通過不斷地運行，消耗的能源不是什么分均勻，常規(guī)中央空調(diào)空調(diào)系統(tǒng)的運行效率比較低，所以會是火車站候車室建筑的冷源和熱源不均。在空調(diào)運行期間天會有大量的冷凝廢熱沒有利用認(rèn)識直接排放和散發(fā)到大氣中。這是對能源的一種低效利用和浪費，最重要的是還會對火車站候車室周圍的環(huán)境代理嚴(yán)重的熱污染。對鐵路的其他建筑和設(shè)備，如LED燈，信號燈等設(shè)備造成熱輻射，使其故障了提高，壽命縮短。目前，在節(jié)能減排的大背景下，如何合理的回收或利用中央空調(diào)系統(tǒng)散發(fā)的這部分廢熱，也受到越來越多人的關(guān)注和研究。

3　系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)候車室建立模型，分為候車室內(nèi)和候車室外。候車室外熱量的傳遞和熱輻射，候車室內(nèi)主要以熱輻射和對流換熱為主。候車室外的熱量通過屋頂、墻面和玻璃傳入室內(nèi)，熱量傳遞的傅里葉方程如下：

其中，p是物體的密度；

c是空氣的比熱容大小；

T(x,t)表示x處在t時刻的溫度；

k表示導(dǎo)熱系數(shù)。

用下面的模型來計算候車室太陽輻射的熱量和候車室墻面和玻璃接收到的紅外線輻射的熱能。

候車室內(nèi)接收到的輻射能力計算如下：

假設(shè)NW表示候車室玻璃窗的數(shù)目，Nf表示地板表面的數(shù)目，Nn表示候車室屋頂和墻體的數(shù)量，則可得通過玻璃到達(dá)候車室內(nèi)的太陽輻射熱量為

假設(shè)太陽輻射熱量H進(jìn)入候車室后部分先被地面吸收，然后部分反射指其他墻面或玻璃。則反射后候車室地板接收到的熱量為：

其中αix和τix為太陽輻射在表面Ai的吸收率和反射率。候車室內(nèi)地板總共輻射的熱量為：

從候車室屋頂和墻面接收的熱量由熱的傳遞定律可得：

到達(dá)候車室內(nèi)的輻射為：

所以候車室內(nèi)總的太陽輻射熱量為：

由《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》中對我國各個地區(qū)溫度的統(tǒng)計表可知，寧波地區(qū)常年平均溫度12℃左右，地下表面的水的溫度為 5℃左右。根據(jù)火車站候車室熱輻射模型，本空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)采用循環(huán)熱水系和冷卻塔的形式。候車室熱水箱的容積分別為 20m3、10m3，水箱均設(shè)在屋頂處。寧波站候車室空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計和選用的是帶有熱回收裝置的三體式空氣源熱泵---冷卻塔系統(tǒng)，采用的是典型能實現(xiàn)熱回收和循環(huán)的空氣源熱泵機組為候車室散熱，同時夏季可開啟冷卻塔作為輔助冷源。寧波站候車室空調(diào)系統(tǒng)選用的是一臺型號DCM-3000的高效節(jié)能冷卻塔，連接到空氣源熱泵換熱器，提高熱泵的換熱效果和壽命。由于優(yōu)化控制離散系統(tǒng)可以降低空氣處理設(shè)備的供冷量，顯著地提高機組性能。運用DCU SCADA800C中央空調(diào)能源管理控制系統(tǒng)，滿足了寧波站候車室各區(qū)域的冷（熱）需求，使各區(qū)域冷（熱）量需求和供給達(dá)到平衡。

4　結(jié)論

本工程通過對寧波火車站候車室熱量來源的研究，建立候車室內(nèi)外輻射熱量的模型，通過模型設(shè)計出熱泵空調(diào)相關(guān)的參數(shù)。實際中我們采用由CPU、終端傳感器和執(zhí)行設(shè)備構(gòu)成的離散控制（DCC）系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將寧波站中央空調(diào)采集到的數(shù)據(jù)和運行中存在的問題進(jìn)行分析研究。得出空調(diào)系統(tǒng)、候車室內(nèi)、候車室外等溫濕度和制冷效果以及水循環(huán)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。經(jīng)過測算得出寧波站候車室空氣源熱泵系統(tǒng)能耗降低了8.82%～18.41%，平均降低了13.78%，改造前，寧波站中央空調(diào)運行費用（電費不含蒸汽費用）每年約為320萬，改造后，每年可減少運行費用（電費）支出50萬元左右，是比較經(jīng)濟(jì)可行的節(jié)能項目。同時，該系統(tǒng)以低能源消耗創(chuàng)造一個人體感覺舒適需求最佳溫濕度環(huán)境。

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